Modeling microbial diversity in anaerobic digestion

• Auteur / Autrice : Iván Dario Ramirez Rivas
• Direction : Jean-Philippe Steyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Montpellier 2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthanisation

Modèles mathématiques

Fabrication du gaz

Biogaz

Mots clés libres

Modélisation

Adm1

Digestion anaérobie

Structure des communautés microbiennes

Indices de diversité

Temps d’adaptation

Fonction d’inhibition

Hydrolyse thermique

Résumé

Le XXIème siècle sera pour l'Homme le siècle de grands enjeux environnementaux tels que l'amélioration de l'accès à une eau potable, la lutte contre le réchauffement climatique et le développement de nouvelles sources d'énergie afin de substituer les énergies fossiles. Une source d'énergie renouvelable très prometteuse est la production de biogaz à partir de déchets organiques. De plus, une étude technico-économique des filières de production de méthane et de biohydrogène a permis de démontrer les avantages d'un procédé en deux étapes (H2+CH4) comparé à un procédé classique en une étape (CH4). Cependant, la viabilité économique des unités de production de biogaz dépend fortement des encouragements réalisés par les pouvoirs politiques en faveur de cette nouvelle source d'énergie. Il est donc nécessaire d'élaborer des méthodes d'optimisation de la production de biogaz pour améliorer la viabilité économique de ces procédés. Le suivi et le contrôle avancé des procédés est une méthode capable d'optimiser les performances et donc le gain économique des unités de production. Cette technique nécessite de concevoir des modèles mathématiques appropriés, intégrant les processus biologiques présents au sein du réacteur. En effet, les études expérimentales ont montré que la structure et la diversité des communautés microbiennes peuvent influencer le fonctionnement du réacteur, mais elles peuvent aussi être influencées par les conditions opératoires du procédé. Ainsi, les modèles mathématiques doivent décrire de façon plus détaillée la biodiversité de ces systèmes afin de mieux représenter les phénomènes existants. Notre étude a permis de mettre en évidence ces relations à travers le modèle ADM1 modifié, qui est capable de décrire la diversité microbienne entre les micro-organismes d'un même groupe fonctionnel. Le modèle développé a été utilisé pour estimer la relation entre les performances du réacteur et la structure des communautés microbiennes dans différentes conditions : utilisation de différentes configurations de réacteurs, différents substrats d'alimentation, différentes charges d'alimentation, en fonctionnement normal et en présence de perturbations. Etant donné que les systèmes industriels sont bien souvent plus contrôlables que les écosystèmes grandeur nature, et parce que les parallèles entre les environnements industriels et les autres écosystèmes existent, nous démontrons dans ce travail qu'il est possible de les utiliser afin d'élucider certaines interrogations de l'écologie encore non résolues.

This new century addresses several environmental challenges among which distribution of drinking water, global warming and availability of new in substitution of fossil fuels are of the most importance. Among other renewable sources, biogas production from wastes is particularly interesting. Moreover, a techno-economical comparison demonstrated the benefits of a two-step process (H2+CH4) compared to the classical one-step methane production. Economic evaluation of biogas plants has revealed that many plants can only survive economically if special incentives are applied. Nowadays, it is thus necessary to find ways to optimize the biogas production in order to make biogas plants economically viable with decreased or no subsidies. Optimization of the biogas process by advanced monitoring and control can undoubtedly lead to better economy. Such strategies require, in general, the development of appropriate mathematical models, which adequately represent the main biological processes that take place. Moreover, experimental evidence is available suggesting that the structure and properties of a microbial community may be influenced by process operation and on their turn also determine the reactor functioning. In order to adequately describe these phenomena, more detailed microbial diversity should be taken up in mathematical models. This was demonstrated in this work by extending the ADM1 model to describe microbial diversity between organisms of the same functional group. The developed model was further shown useful in assessing the relationship between reactor performance and microbial community structure in different conditions: difference in reactor configurations, influents and load regimes, both in normal and abnormal situations. As engineered systems are often more manageable than large-scale ecosystems, and because parallels between engineered environments and other ecosystems exist, we showed in this work that the former was used to elucidate some unresolved microbial ecological issues.